金属材料的硬度试验-实验报告
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实验五 硬度实验
一．实验目的
1． 了解硬度测定的基本原理及应用范围。
2． 了解布氏硬度实验机的主要结构及操作方法。
二．概述
硬度是指材料对另一较硬物体压入表面的抗力，是重要的机械性能之一。它是给初级金属材料软硬程度的数量概念，硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形能力越大，材料产生塑性变形就越困难，硬度实验方法简单，操作方便，出结果快，又无损于零件，因此被广泛应用。测定金属硬度的方法很多，有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。
1． 布氏硬度（HB）
（1）布氏硬度实验的基本原理
布氏硬度实验是以一定直径的钢球施加一定负荷P，压入被测金属表面（如图1所
示）保持一定时间，然后卸荷，根据金属表面的压痕面积F求应力值，以此作为硬度值的计量指标，以HB表示，则
（5-1）
式中：P—负荷（kgf）；
D—钢球直径（mm）
h—压痕深度（mm）
图5-1 布氏硬度实验原理图
由于测量压痕d要比测量压痕深度h容易，将h用d代换，这可由图5-1（b）中的△Oab关系求出：
（5-2）
将式（5-2）代入式（5-1）即得：
（5-3）
式（5-3）中，只有d是变数，所以只要测量出压痕直径，就可根据已知的D和P值计算出HB值。在实际测量时，可根据HB、D、P、d的值所列成的表，若D、P已选定，则只需用读数测微尺（将实际压痕直径d放大10倍的测微尺）测量压痕直径d，就可直接查表求得HB值。
由于金属材料有硬有软，所测工件有厚有薄，若采用同一种负荷（如3000kgf）和钢球直径（如10mm）时，则对硬的金属适合，而对软的金属就不合适，会使整个钢球陷入金属中；若对厚的工件适合，而对薄的金属则可能压透，所以规定测量不同材料的布氏硬度值时，要有不同的负荷和钢球直径，为了保持统一的，可以相互进行比较的数值，必须使P和D之间保持某一比值关系，以保证所得到的压痕形状的几何相似关系，其必要条件就是使压入角保持不便。
由图5-1（b）可知： （5-4）
将式（5-4）代入式（5-3）得：
（5-5）
式（5-5）说明，当φ值为常数时，为使HB值相同，P/D2也应保持为一定值，因此对同一材料而言，不论采用何种大小的负荷和钢球直径，只要满足P/D2=常数，所得的HB值都是一样的。对不同材料，所测得的HB值也可进行比较。P/D2比值有30、10、2 .5三种，其试验数据和应用范围可参考表5-1。
表5-1 各种负荷、压头及应用范围
材料种类 布氏硬度
范围 试样厚度
（mm） 负荷P与钢球直径D之间的关系 钢球直径D（mm） 负荷P（kgf） 负荷持续时间（秒）
钢铁
（黑色金属） 140-450 >6
6-3
<3 P=30D2 10
5
2.5 3000
750
187.5 10
同上 <140 >6
6-3
<3 P=10D2 10
5
2.5 1000
250
62.5 10
有色金属及合金（铜、青铜、黄铜、镁合金） 31.8-130 >6
6-3
<3 P=10D2 10
5
2.5 1000
250
62.5 30
同上 8-35 >6
6-3
<3 P=2.5D2 10
5
2.5 250
62.5
15.6 60
（2）布氏硬度试验的技术要求 1） 被测金属表面必须平整光洁。
2） 压痕距离金属边缘应大于钢球直径，两压痕之间距离应大于钢球直径。
3） HB 〉450的金属材料不得用布氏试验机测定。
4） 用读数测微尺测量压痕直径d时，应从相互垂直的两个方向上测量，然后取其平均值。
5） 查表时，若使用的是5、2.5mm的钢球时，则应分别以2和4倍压痕直径查阅。
6） 为了表明试验条件，可在HB之后标注D/P/T，如HB10/3000/10，即表示此硬度值是在D=100mm，P=3000kgf，T=10秒的条件下得到的。
（3）布氏硬度试验机的结构及操作
HB-3000型布氏硬度试验机的结构如图5-2所示。它是利用杠杆系统将负荷加到金属表面上的。加卸负荷都是自动的。
图5-2 HB-3000布氏硬度试验机外形结构图
试验时，将试样置于试样台上，顺时针转动手轮，使试样上升直到钢球压紧并听到“卡”一声为止。按上电钮，此时电动机通过变速箱使曲轴转动，连杆下降，负荷通过吊环和杠杆系统施加于钢球上，保荷一定时间后，电动机自动运转，连杆上升，卸除负荷，使杠杆及负荷恢复到原始状态，同时电动机停止运转，再反向回转手轮，使试样台下降，取下试样，即可进行压痕直径的测量，查表即得HB值。
三．实验报告要求
1． 简述布氏硬度试验原理。
2． 如何测定金属材料的布氏硬度值？
3． 进行试验时，应注意哪些基本要求？
